CN213240668U - 用于头戴式显示设备的光学系统及头戴式显示设备 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种用于头戴式显示设备的光学系统，包括：图像源、红外光源、半透半反元件、光学元件、红外光反射元件和红外光采集单元；所述图像源用于发出图像光线，所述红外光源用于发出红外光线；所述红外光采集单元朝向所述人眼，用于采集所述人眼的红外光的光强分布。本申请还提供一种头戴式显示设备。相对于现有技术，该系统除了红外光源和红外光采集单元外，不需要额外的光学元件，只需要头戴式显示设备原有的光学元件就可以实现红外光对人眼部分的照明和红外摄像头的图像采集，成本低，体积小，可实现性高。
Description
技术领域
本实用新型涉及头戴式显示设备领域，特别是涉及一种用于头戴式显示设备的光学系统及一种头戴式显示设备。
背景技术
近几年随着科技的发展，国内外皆有推出装有红外眼球追踪技术的虚拟现实头戴式显示设备，在虚拟的环境中捕获眼动行为进行数据分析，或者通过眼动设备与虚拟环境的事物进行交互。
红外眼球追踪技术有以下优势，(1)通过识别人眼的注视点位置，可以在一定程度上替代操作手柄或手势识别，实现眼睛对显示图像的操作；(2)通过识别人眼的注视点位置，对注视点位置的显示图像进行高分辨率渲染，其他部分的显示图像则可以进行低分辨率渲染，这样可以显著降低对头戴式显示设备硬件的计算量需求。
传统头戴显示设备中额外增加到头戴显示模组中的眼动追踪光学元件较为复杂，对头戴式显示设备的空间要求高。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种用于头戴式显示设备的光学系统，以解决现有技术中的缺点与不足，其结构简单，实现眼球追踪效果好。
本实用新型的一种用于头戴式显示设备的光学系统，包括：图像源、红外光源、半透半反元件、光学元件、红外光反射元件和红外光采集单元；
所述图像源用于发出图像光线，所述红外光源用于发出红外光线；
图像光线由所述图像源发出，并依次经过所述半透半反元件被部分反射传播至所述光学元件，经过所述光学元件被反射再次传播至所述半透半反元件，经过所述半透半反元件被部分透射，进入人眼；
红外光线由所述红外光源发出，并依次经过所述红外光反射元件被反射传播至所述半透半反元件，经过所述半透半反元件被部分反射传播至所述光学元件，经过所述光学元件被反射再次传播至所述半透半反元件，经过所述半透半反元件被部分透射，射于人眼；
所述红外光采集单元朝向所述人眼，用于采集所述人眼的红外光的光强分布。
相对于现有技术，该系统除了红外光源和红外光采集单元外，不需要额外的光学元件，只需要头戴式显示设备原有的光学元件就可以实现红外光对人眼部分的照明和红外摄像头的图像采集，成本低，体积小，可实现性高。
本实用新型还提供一种头戴式显示设备，包括：眼镜架，眼镜腿和如上述任一所述用于头戴式显示设备的光学系统；所述眼镜架两端连接所述眼镜腿，所述眼镜架形成一光学系统容腔，所述用于头戴式显示设备的光学系统设置于所述光学系统容腔内。
附图说明
图1为本实用新型一用于头戴式显示设备的光学系统的结构示意图；
图2为本实用新型一优选地用于头戴式显示设备的光学系统的结构示意图；
图3为本实用新型一更优选地用于头戴式显示设备的光学系统的结构示意图；
具体实施方式
请参阅图1，所述用于头戴式显示设备的光学系统，其包括：图像源10、红外光源20、半透半反元件11、光学元件12、红外光反射元件21和红外光采集单元22。所述用于头戴式显示设备的光学系统可用于AR或VR头戴式显示设备。
所述图像源用于发出图像光线。图像源提供虚拟图像，其包括但不限于集成光源的显示屏或单一显示屏，例如，Micro-OLED、OLED、LCD、Mini-LED、LCoS、DMD等显示电子元件，这些显示电子元件均可以发出图像光线。
所述红外光源用于发出红外光线，优选地，所述红外光源为红外LED。所述半透半反元件可以为半透半反镜片，也可以为半透半反膜，或者是其他半透半反的光学元件，本领域技术人员可根据不同需求来选择其类型。
图像光线由所述图像源发出，并依次经过所述半透半反元件被部分反射传播至所述光学元件，经过所述光学元件被反射再次传播至所述半透半反元件，经过所述半透半反元件被部分透射，进入人眼，此时人眼中会呈现图像源所显示的图像，即实现了头戴式显示设备的基本功能。
红外光线由所述红外光源发出，并依次经过所述红外光反射元件被反射传播至所述半透半反元件，经过所述半透半反元件被部分反射传播至所述光学元件，经过所述光学元件被反射再次传播至所述半透半反元件，经过所述半透半反元件被部分透射，射于人眼，所述红外光采集单元朝向所述人眼，用于采集所述人眼的红外光的光强分布。由于瞳孔是可以透过红外光的，眼睛的其他部分是漫反射红外光的，因此，可以通过红外光采集单元采集光强分布来识别瞳孔的位置，同时经过后端的图像处理和特征分析过程来计算人眼的注视点位置。
图像光线和红外光线的传播共用了半透半反元件和光学元件，不难理解的是，通过设置上述几种光学元件的位置，可以使图像光线和红外光线分别沿各自的光路传播。具体地，半透半反元件设置于图像源发出图像光线的一侧，光学元件设置于半透半反元件部分反射图像光线的一侧。
请参阅图2，优选地，所述用于头戴式显示设备的光学系统还包括成像透镜40，所述成像透镜用于对减少所述图像光线的畸变和像差；图像光线由所述图像源发出并经过所述成像透镜被透射后传播至所述半透半反元件。成像透镜可以提高整个光学系统的成像质量，具体地，所述成像透镜设置于所述图像源和半透半反元件之间，使得图像光线能透过所述成像透镜再传播至半透半反元件。所述红外光反射元件可以设置于所述成像透镜内，也可以设置于所述成像透镜外。
请参阅图3，更优选地，所述成像透镜40包括第一楔形透镜41和第二楔形透镜42，所述第一楔形透镜41和第二楔形透镜42的楔形面互相贴合安装；所述红外光反射元件21为红外光反射膜，所述红外光反射膜设置于所述第一楔形透镜和第二楔形透镜的贴合面上；图像光线由所述图像源发出，并依次经过所述第二楔形透镜、所述红外光反射元件以及所述第一楔形被透镜传播至所述半透半反元件；红外光线由所述红外光源发出，并依次经过第一楔形透镜被透射传播至所述红外光反射元件，被所述红外光反射元件反射并再次经过所述第一楔形透镜被透射传播至所述半透半反元件。所述红外光反射元件21优选地为红外光反射膜，所述红外光反射膜设置于所述第一楔形透镜和第二楔形透镜的贴合面上。即第一楔形透镜和第二楔形透镜组合安装在一起，两者的安装面(贴合面)镀有红外光反射膜。此种设置巧妙的将成像透镜和红外光反射元件组合在一起，更加地节省光学系统的空间，且红外光反射膜对可见光具有高透过率的特性，不影响图像源(Micro-OLED)发出的图像光线的透过。
优选地，所述图像源、成像透镜、半透半反元件沿竖直方向依次设置，所述半透半反元件和光学元件沿水平方向设置；所述红外光源和所述成像透镜沿水平方向设置，所述红外光采集单元设置于所述半透半反元件的下方。
可选地，所述光学元件为反射镜。当所述用于头戴式显示设备的光学系统用于VR头戴式显示设备时，所述光学元件为反射镜，反射镜能够更好地反射光线。
可选地，所述光学元件为半透半反镜片。当所述用于头戴式显示设备的光学系统用于AR头戴式显示设备时，所述光学元件为半透半反镜片，此时环境光线从外部透射经过所述光学元件和半透半反元件进入人眼，图像光线和环境光线一起进入人眼，从而实现AR成像的效果。
优选地，所述红外光采集单元为红外摄像头模组，红外摄像头模组采集的红外光质量更好。
优选地，所述图像源为Micro-OLED显示屏。
相对于现有技术，本实用新型提出了一种用于头戴式显示设备的光学系统，该系统除了红外光源和红外光采集单元外，不需要额外的光学元件，只需要头戴式显示设备原有的光学元件就可以实现红外光对人眼部分的照明和红外摄像头的图像采集，成本低，体积小，可实现性高。
本实用新型还提供一种头戴式显示设备，其包括：眼镜架，眼镜腿和如上述的用于头戴式显示设备的光学系统，其中，所述眼镜架两端连接所述眼镜腿，所述眼镜架形成一光学系统容腔，所述用于头戴式显示设备的光学系统设置于所述光学系统容置腔内。光学系统安装于光学系统容置腔内，为本领域技术人员常用的技术，因此不作赘述。
在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
以上所述用于头戴式显示设备的光学系统，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。
Claims (9)
1.一种用于头戴式显示设备的光学系统，其特征在于，包括：图像源、红外光源、半透半反元件、光学元件、红外光反射元件和红外光采集单元；
所述图像源用于发出图像光线，所述红外光源用于发出红外光线；
图像光线由所述图像源发出，并依次经过所述半透半反元件被部分反射传播至所述光学元件，经过所述光学元件被反射再次传播至所述半透半反元件，经过所述半透半反元件被部分透射，进入人眼；
红外光线由所述红外光源发出，并依次经过所述红外光反射元件被反射传播至所述半透半反元件，经过所述半透半反元件被部分反射传播至所述光学元件，经过所述光学元件被反射再次传播至所述半透半反元件，经过所述半透半反元件被部分透射，射于人眼；
所述红外光采集单元朝向所述人眼，用于采集所述人眼的红外光的光强分布。
2.根据权利要求1所述的用于头戴式显示设备的光学系统，其特征在于：还包括成像透镜，所述成像透镜用于对减少所述图像光线的畸变和像差；
图像光线由所述图像源发出并经过所述成像透镜被透射后传播至所述半透半反元件。
3.根据权利要求2所述的用于头戴式显示设备的光学系统，其特征在于：
所述成像透镜包括第一楔形透镜和第二楔形透镜，所述第一楔形透镜和第二楔形透镜的楔形面互相贴合安装；所述红外光反射元件为红外光反射膜，所述红外光反射膜设置于所述第一楔形透镜和第二楔形透镜的贴合面上；
图像光线由所述图像源发出，并依次经过所述第二楔形透镜、所述红外光反射元件以及所述第一楔形被透镜传播至所述半透半反元件；
红外光线由所述红外光源发出，并依次经过第一楔形透镜被透射传播至所述红外光反射元件，被所述红外光反射元件反射并再次经过所述第一楔形透镜被透射传播至所述半透半反元件。
4.根据权利要求3所述的用于头戴式显示设备的光学系统，其特征在于：所述图像源、成像透镜、半透半反元件沿竖直方向依次设置，所述半透半反元件和光学元件沿水平方向设置；
所述红外光源和所述成像透镜沿水平方向设置，所述红外光采集单元设置于所述半透半反元件的下方。
5.根据权利要求4所述的用于头戴式显示设备的光学系统，其特征在于：所述光学元件为反射镜。
6.根据权利要求4所述的用于头戴式显示设备的光学系统，其特征在于：所述光学元件为半透半反镜片。
7.根据权利要求1-6任一项所述的用于头戴式显示设备的光学系统，其特征在于：所述红外光采集单元为红外摄像头模组。
8.根据权利要求1-6任一项所述的用于头戴式显示设备的光学系统，其特征在于：所述图像源为Micro-OLED显示屏。
9.一种头戴式显示设备，其特征在于，包括：眼镜架，眼镜腿和如权利要求1-8任一项所述用于头戴式显示设备的光学系统；所述眼镜架两端连接所述眼镜腿，所述眼镜架形成一光学系统容腔，所述用于头戴式显示设备的光学系统设置于所述光学系统容腔内。
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